全息空间影像仍缺“完美载体”

文/K.Collider

科技发展迅猛，十几年前的科幻电影中的许多画面，都一一走进了现实。但有一种十几年前就在电影中亮相的全息投影互动交流方式，却迟迟未能在我们身边完美呈现——

今天我们看到的VR眼镜、AR平台、3D投影等所谓先进虚拟现实技术，都不能完美复刻当初电影里的全息影像通话场景。

这种在电影里看似简单一个动作就能“召唤”出一片悬浮立体影像并能互动交流的全息投影技术，为何真正实现起来这么难呢？

历史：

从“投影”到“全息技术”

我们在电影中看到的全息投影，只不过是通过CGI技术（3D动画技术）制作的特效。这个特效与光影技术息息相关。其实也可以说，人类在图像技术上的每一步探索，都来自对光的了解和应用。

早在17世纪，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯正式发明了被称为“魔灯”的投影仪，可以通过透镜的组合将画片上的图像投射到某个位置。在随后的两个世纪中，这项技术被大量用来“装神弄鬼”——一种在昏暗的废弃教堂里上演恐怖秀的“恐怖剧院”一度风靡欧洲。

到了19世纪，英国科学家亨利·迪尔克斯和约翰·亨利·佩珀尔共同发明了后来被称为“佩珀尔幻象”的技术，利用有角度的玻璃对光的半透半反性质，形成可以出现在空中的图像。由于设置方便且效果很好，一度流传相当广泛，最终成为了投影技术的来源之一。

如今，仍有一些演唱会现场利用类似原理呈现“虚拟歌手”的场景。但这种技术呈现的影像是没有空间深度的，与全息投影并不一样。

真正的全息技术是在1947年由丹尼斯·盖伯发明，他因此获得了诺贝尔物理学奖。这种技术利用光的相干性，可以记录物体的全部信息，然后通过分光镜将激光（早期是使用电子束）分成两束，一束打在物体上，另一束被称为参考光的则直接作用在全息胶片上，它们共同在胶片上形成独特的干涉条纹图样——这就是记录物体影像的关键“密码”。

全息技术可以在一张全息胶片上记录具有物理深度的图像，并且不会因为胶片的破损而损毁，是一种有潜力储存海量视觉信息的技术。然而它与传统的投影以及我们今天常见的各种成像技术一样，都无法脱离成像载体的束缚，距离科幻电影中那种悬浮在空气中的图像，还有很远距离。

目标：

需要“难以被感知的载体”

投影技术致力于将平面图像显示在幕布或其他介质上，而全息技术则致力于在介质中存储并展示空间信息。结合这两种技术的特点以及电影中的表现形式，我们可以粗略总结出理想的全息投影应该满足的某种“标准”。

首先，全息投影最好能够同时展示包括光强和相位在内的所有信息，是具有体积的影像，但不一定在所有角度都可见；其次，全息投影最好能够看起来飘浮在空中，或者干脆真的飘浮在空中；更重要的是，全息投影最好可以与观看者产生一定的交互。

在生活中，我们“看到”某些事物，实际上是看到了这些事物折射的光线。如果没有介质，光源发出的光线只能直线传播，就不能经过反射进入我们的眼睛里，成像也就无从谈起。

所以投影技术的上述“标准”就是要求一种完美的难以被感知到的成像载体，技术难度相当大。好在，近些年光学超材料的发展为满足这一要求提供了可能。

现状：

正努力向理想靠拢

经过科学家们的努力，今天已经有一些技术可以部分实现我们所设想的全息投影的效果了。

短暂成像——旋转LED缺点：无法互动

视觉暂留现象是由于视网膜对于光信号的反应速度有限所导致的，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失。一般情况下，视觉暂留的时间约为0.1-0.4秒，人们利用这一效果设计了许多有趣且有用的技术。比如小时候常见的翻页动画书等。

除了图像本身，显示器也可以利用视觉暂留效果制作。比如近几年很火的旋转LED（电子显示屏），就是利用视觉暂留效果，让图像好像飘浮在空中一样。那么，既然可以利用一条LED灯带来模拟二维的屏幕，我们自然可以用同样的技术来产生带有体积感的图像。

例如用一圈LED旋转起来产生球形的图像，或者是让平面LED屏幕往复运动产生立体的图像等。这种方法的好处在于，由于成像载体的高速运动，它对于观看的人来说几乎不可见，而且显示效果也很好，相当接近大家心目中的全息投影技术。

然而缺点也显而易见：由于屏幕运动的速度非常快，如果有人想要和这样产生的全息影像互动，其后果会相当可怕——可能就是“你和全息投影只能活一个”。

微粒成像——隐藏载体缺点：无体积感

也有一些人延续了“佩珀尔幻象”的思路，通过布置环境隐藏成像载体的边缘，或者直接利用水雾，烟尘等细小颗粒这类半透明介质作为成像载体，让图像看起来出现在空中。

这也是一种相当成熟的技术路线，一些演唱会现场、景点等场合都能看到这种技术的影子。

但这种技术本质上还是在一个平面上成像，也无法保存全息胶片那样复杂的干涉信息，因此产生的图像并没有体积感，充其量只能算是伪全息。

负折射成像——新材料透镜缺点：可视角度太少

随着材料科学在当代的飞快进步，拥有负折射率的光学超材料也被应用于光学成像系统中。

相信大家都用过放大镜或者眼镜，这些折射率为正的传统光学透镜会在其后方形成清晰的实像。而使用负折射率材料制作透镜时，经过这种透镜的光会在透镜之前而不是之后形成清晰的实像，从而实现真正意义上的无介质空中成像。目前已经有一些医院和科技馆用上这项技术了，看起来相当科幻。

然而这种技术现在还只能在空中显示出平面图形，并且显而易见的，其可视角度相当少，可以说只有在一些特殊的场景下才有应用价值。

激光脉冲成像——电离空气发光缺点：分辨率受限

除了上述较为“传统”的成像方法，科学家们也在不断尝试利用新技术来制造全息投影。

我国科学家就使用高能量密度的飞秒激光脉冲实现了电离空气发光，并通过设计光路不断调整聚焦位置，实现了在空气中小范围的悬浮成像。

美国一研究团队则利用激光制造“光阱”，在“光阱”中束缚微小粒子，通过不断移动“光阱”的位置并照射不同颜色的光，来实现空气中的悬浮成像。

这两种技术的成像效果都非常接近科幻电影中的效果。但是由于目前这种技术仍处于发展初期，图像的尺寸和分辨率都受到限制，现在只能寄希望于未来这些技术能真正走进消费者手中。

全息技术的探索相当艰难，但人类不会放弃对视觉奇观的追求。相信终有一天，全息投影技术也会像来自科幻电影的诸多技术一样，真正走进现实。

（来源 中国科学院物理研究所微信公众号）

原文载于《羊城晚报》2025年4月18日A10版